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铁路信号供电方案的探讨
铁路信号供电方案的探讨
1、现状
铁路专线信号电源始于上个世纪60年代,最初为单回路10kV供电,称“自闭”线。
50km,70km左右设一处变配电所。
变配电所之间为一个供电臂,最大负荷为3,5A左右,属于长距离送电,小负荷用电的特殊线路。
由于受当时设备的限制,为了满足信号电源转换不大于150ms的要求,变配电所的供电采取了高、低、高供电的方式,就是将10kV进线电压降到0.4kV,再升压至10kV送出,在低压0.4kV侧实现配出回路的保护和转换。
单回路电源供电可靠性较低,50km,70km长的自闭线路沿铁路架设,因各种原因造成的故障率很高,当电力线路发生故障后,故障查找处理一般需要3,4个小时,长时间的一个供电臂停电,对运输的干扰是很大的,由此诱发的停车事故也是常见的。
上个世纪80年代末90年代初,为了提高信号供电的可靠性,开始增建贯通电力线路。
电力贯通线路除了完成对信号的供电外,还承担了沿线通信、红外线、无电站的供电任务,贯通线的建设与自闭电力线路形成了对信号系统的可靠供电,随着快速真空开关的研制成功,变配电所的控制方式也由高,低,高改为高,高供电方式。
2、目前信号供电中存在的问题
在目前的信号供电中,从电源情况看,备用程度已经相当高了,但信号电源供电中断故障仍然时有发生,影响了列车的运行。
1
2.1信号电源屏的影响。
信号电源屏在电源转换时不能满足信号运行的要求,根据TB10069-2000《铁路驼峰信号设计规范》6.3供电6.3.1.1规定:
信号楼要有两路独立电源供电,两路电源的转换断电时间应不大于150ms”。
但在实际运行中,两路电源在转换过程中往往小于150ms,还是不能满足信号的要求。
笔者曾经在京广线某一中间站做过两路电源转换试验。
试验时,车站将信号开放,排好列车进路,电源开始转换,转换时间为15ms,在转换过程中,15ms的时间仍不能保持信号的运行状态,将开放信号顶起,由绿灯变为红灯。
在实际的运行中多次遇到过这种现象,并都造成了列车停车的行车事故或造成列车冒进信号的险性事故。
2.2相序继电器的影响。
根据TB10069-2000设计规范,6.3供电,6.3.2“三相电源各相相序在设计中应力求平衡”。
三相电源应设有错序,断相监督和报警设备。
在实际运行中信号电源屏为了保证相序的一致性,在两路电源转换的条件中加装了相序继电器,做为电源能否使用的一个条件。
而这类相序继电器对电源中的谐波较为敏感,当电源中谐波含量达到4,时,相序继电器将吸起,相序继电器吸起将切断信号电源屏接触器的电源,使电源无法送到电源屏上。
在实际工作中,曾经多次在京广线,石家庄至保定的两个供电臂上遇到了因谐波造成有些中间站信号楼机械室发生相序继电器启动的问题,在相序继电器启动时,现场工人到信号变压器配电箱内用相序表进行相序测试,发现三相相序翻转。
电源不能送到信号电源屏上。
2.3电源污染严重,谐波含量较大
2
在电力系统中各种谐波源产生的谐波也对电力系统环境造成污染,影响到整个电力系统的电气环境,包括电力系统本身和广大用户,而且其污染影响的范围大,距离远,可能比一个工厂对大气环境的污染距离更远,范围更大。
谐波污染对电力设备的危害是严重的。
初步归纳起来主要表现为:
过负荷和发热、增加介质应力和过电压、干扰和危害以及破坏电子设备和保护控制设备的性能和正常工作。
近些年来,由于电力电子技术的发展,及其在工业和交通部门和用电设备上的广泛应用,包括大功率整流在电气化铁路的应用、电弧炉在炼钢中的应用等,使得谐波对电力设备、电力用户和通信线路等的有害影响已经十分严重,不得不认真对待和考虑了。
在原水利电力部《电力系统谐波管理暂行规定》的基础上,根据多年来对我国电力系统谐波状况的调研、测试和专题研究,以及分析国外制订谐波标准的经验,结合我国电网的具体情况,制订了我国的谐波国家标准《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-93),标准中规定公用电网谐波电压(相电压)的允许值,见下表
各次谐波电压含有率(%)
电压总谐波畸变率(,)
电网标称电压(kV)奇次偶次
0.385.04.02.0
6
4.03.21.6
10
35
3.02.41.2
66
1102.01.60.8
3
铁路沿线的电源全部是从就近的地方电源接引,而个别的地方还有直接接引于牵引变电所的电源,这些电源有很多都含有不同程度的谐波,而从牵引变电所接引的电源谐波将更为严重。
笔者多次在供自闭、贯通用电的配电室对10kV侧电源谐波含量的进行测量。
同时对信号楼供电的380V侧,在信号电源屏相序继电器翻转时的谐波含量进行测试,测试结果如下:
2.3.1对10kV侧一路电源谐波含量的测量
地点:
定州配电室
电源号:
521电源
测试时间:
2001年12月
测试位置:
10kV电源侧,线路无负荷。
Channel,0、1、2为电源侧三相电压
Channel,0TheDccomponent=-6.760ReaIRMS=6202.525
NRMS%ANGNRMS%ANG16188.5261004.195274.5521.205-1.8723394.6356.377105.413430.2730.48922.207557.4990.929153.094615.4540.2541.218763.9461.033-30.956810.7760.174-6.73898.3810.13530.904108.9750.1459.3461114.8520.2411.1321212.5820.20310.781RMS=6202.521VD(%)=6.729JP=32.848
4
Channel,1TheDccomponent=-80.762ReaIRMS=6154.099
NRMS%ANGNRMS%ANG16139.113100122.6092440.717158.2023411.9556.71112.431426.1630.426148.457535.8260.58482.141614.1710.231174.072743.130.70392.10789.3230.152148.029914.2660.232116.384105.5950.091153.9011113.5010.22210.539128.190.133173.298RMS=6153.571VD(%)=6.867JP=26.164
Channel,2TheDccomponent=65.039ReaIRMS=6163.883
NRMS%ANGNRMS%ANG16152.364100242.265256.0090.91234.5443352.7035.733114.814420.6770.336171.885574.0981.204-85.29466.1560.1218.117755.1340.396178.592811.6010.189202.99599.7740.159174.027107.3670.12193.7351111.5720.188149.485126.3210.103195.405RMS=6163.541VD(%)=6.030
电源电压波形
5
从以上数据可以看出,0相三次谐波的含量为6.377,,超过奇次谐波电压允许含有率3.177,,0相电压总的谐波畸变率为6.729,,超过标准2.729,;1相三次谐波的含量为6.71,,超过奇次谐波电压允许含有率3.51,,1相电压总的谐波畸变率为6.867,,超过标准2.867,;2相三次谐波的含量为5.733,,超过奇次谐波电压允许含有率1.733,,2相电压总的谐波畸变率为6.030,,超过标准2.030,,这些数据说明在定州配电室521电源中三次谐波的含量较为严重,超过了GB/T14549-93的国家标准。
2.3.2对10kV侧二路电源谐波含量的测量
地点:
定州配电室;
电源号:
524电源,
测试时间:
2001年12月,
测试位置:
10kV电源侧,线路无负荷。
Channel,0、1、2为电源侧三相电压
Channel,0TheDccomponent=-429.410ReaIRMS=5785.589
6
NRMS%ANGNRMS%ANG15760.5511004.2892215.0843.73469.5713310.9915.399105.977417.1820.29869.588571.4571.240139.65066.6860.11657.141737.3440.648-26.813812.6620.22012.90294.7070.08249.1841011.2950.196-16.743RMS=5773.941VD(%)=6.822JP=27.804
Channel,1TheDccomponent=-355.919ReaIRMS=5777.590
NRMS%ANGNRMS%ANG15727.755100243.8522250.3084.37217.5273334.3495.837116.204414.4620.25295.446573.2271.278-95.859618.3090.32199.627740.4990.707204.253813.8320.241197.734915.9450.278176.366108.1900.143189.483RMS=5743.887VD(%)=7.511JP=27.613
Channel,2TheDccomponent=-500.764ReaIRMS=5849.855
NRMS%ANGNRMS%ANG15801.504100125.3982172.8122.979-22.1443368.0516.344115.243427.9250.481225.954583.4001.43850.289618.0700.311187.219732.4820.56090.34589.4220.162139.994
7
99.5110.164170.8631018.2300.314149.343RMS=5816.891VD(%)=7.288JP=32.441
电源电压波形
从以上数据可以看出,524电源中,三次谐波较为严重,0相电压三次谐波的含量为5.399,,超过标准1.399,,0相电压总的谐波畸变率为6.822,,超过标准3.622,;1相电压三次谐波的含量为5.837,,超过标准1.837,,1相电压总的谐波畸变率为7.511,,超过标准4.311,;2相电压三次谐波的含量为6.344,,超过标准2.344,,2相电压总的谐波畸变率为7.288,,超过标准4.088,,这些数据说明在定州配电室524电源中三次谐波的含量较为严重,超过了GB/T14549-93的国家标准。
2.3.3车站信号变压器380V侧谐波含量的测量
(一)低压380V侧测试,测试期间信号楼信号电源屏相序继电器发生动作Channel,0、1、2为三相电压
时间:
2002年10月15日,
测试地点:
望都车站信号变压器侧
频域分析结果
8
Channel,0TheDccomponent=-0.015ReaIRMS=3.836
NRMS%ANGNRMS%ANG
13.810100-0.31720.0220.583214.20130.0792.082122.35340.0130.34636.30250.43511.42320.94360.0160.42-28.71370.0230.601114.99880.0200.535150.87490.220.572217.386100.0210.55051.846RMS=3.836VD(%)=11.803JP=0.056
Channel,1TheDccomponent=0.028ReaIRMS=4.294
NRMS%ANGNRMS%ANG
14.264100-52.72520.0140.336-87.61230.1303.051-50.99340.0150.358-5.78050.46610.91893.92060.0290.6885.57270.0370.877-94.85180.0380.882185.55290.0471.10375.208100.0120.28077.104RMS=4.294VD(%)=11.794JP=0.063
Channel,2TheDccomponent=-0.001ReaIRMS=4.201
NRMS%ANGNRMS%ANG
14.18710061.71220.0310.747-74.95030.0721.709-51.63240.0080.18369.225
9
50.3107.402-13.06560.0170.411-12.52770.0380.908-77.53580.0240.568189.79790.0431.01889.147100.0190.44333.427RMS=4.201VD(%)=7.990JP=0.44
此组数据是在信号楼电源屏相序继电器起动起来的测试结果,从数据可以看出,五次谐波很严重,0相电压五次谐波的含量为11.423,,超过标准7.423,,0相电压总的谐波畸变率为11.803,,超过标准6.803,;1相电压五次谐波的含量为10.918,,超过标准6.918,,1相电压总的谐波畸变率为11.794,,超过标准6.794,;2相电压五次谐波的含量为7.402,,超过标准3.402,;2相电压总的谐波畸变率为7.990,,超过标准2.990,。
2.3.4车站信号变压器380V侧谐波含量的测量
(二)低压电源380V侧测试,测试期间信号楼电源屏相序继电器发生动作。
地点:
望都车站信号变压器侧,
时间:
2002年10月15日
Channel,0、1、2为三相电压
频域分析结果
Channel,0TheDccomponent=-0.019ReaIRMS=3.81
10
NRMS%ANGNRMS%ANG13.8271002.43320.0240.619154.18530.0751.956112.87840.0140.35956.56650.1142.969184.14860.0040.111237.07170.0772.010174.45580.0110.292115.08990.0260.674227.281100.0090.244169.422RMS=3.831VD(%)=4.419JP=0.027
Channel,1TheDccomponent=0.032ReaIRMS=4.304
NRMS%ANGNRMS%ANG14.300100-54.10720.0090.203138.46230.1162.707-49.16240.0130.29740.21050.1172.722248.47660.0100.224-88.10570.0882.057165.25280.0060.149186.49790.0070.159-22.283100.0140.323189.371RMS=4.304VD(%)=4.526JP=0.028
Channel,2TheDccomponent=-0.005ReaIRMS=4.234
NRMS%ANGNRMS%ANG14.22910065.49820.0140.342127.90730.0651.545-47.38440.0000.00946.24950.1463.455103.33660.0070.17615.478
11
70.0741.746-98.56380.0090.224110.45090.0130.307163.169100.0130.299230.114RMS=4.232VD(%)=4.344JP=0.028
从这组数据可以看出无论从各项谐波的含量来看还是从各相电压总的畸变率来看都不超过技术标准,都在合格范围内,但还是引起了信号电源屏上相序继电器的动作。
3.建议及对策
从以上的分析可以看出电网的污染越来越严重,随着城乡人民生活的提高,电气化铁路的不断增加,这种污染将会更加严重,它对铁路信号系统的影响会越来越大,特别是高速铁路的建设中如何确保信号供电的可靠,应引起高速的重视。
3.1提高信号继电器的自保持能力
信号供电系统在两路电源转换过程中应提高信号继电器的自保持能力。
在信号设计规范中,两路电源转换的时间是不大于150ms,也就是说两路电源在转换中,信号继电器应能保持原有的工作状态,不能自行释放。
而在实际运行中,当车站将列车进路排好后,如果这时电源进行转换,在倒换时间小于150ms的情况下,信号继电器就会释放,不能进行保持,信号灯就会由绿灯变为红灯,造成信号升级。
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整个倒路时间为15毫秒。
因此建议将来在设计信号电源中应考虑加装电容放电回路,就是在电源转换的时间内,由电容向继电器回路放电以保持运行状态。
3.2改造信号用相序继电器
从大量的测试数据看出,信号用相序继电器在五次谐波2.969,,总畸变率达到4.419,的情况下,信号相序继电器就进行了转换,4.419,的畸变率低于谐波标准中380V5,的规定。
因此建议相序继电器厂家应根据这种情况,研究制造新的相序继电器,提高继电器的耐谐波能力。
这是因为笔者在现场测试中,一个供电臂有几个车站,这些车站并不是个个车站相序继电器都转换,说明相序继电器在制造过程中,因各种原因,其耐谐波的水平是不同的,这也说明相序继电器在制造中提高耐谐波的能力也是可行的。
笔者曾与铁道科学院对北京电务器材厂的相序继电器的耐谐波情况进行过测试,新的设计相序继电器谐波含量在百分之十几时,相序继电器能够正常工作。
电源谐波含量在百分之十几时,并不影响短时间的正常负荷用电。
3.3采用新的信号供电方式
为了解决信号供电因谐波含量较高,影响信号供电的问题,在380侧改为交,直,交的供电方式,这种供电方式在西欧一些国家已经有了十年的运行时间,其效果较好。
在交,直,交的使用效果上,笔者曾做过测试,这个测试就是将接触网上连接的27.5kV/0.23kV变压器,二次端接入交,直,交设备。
230V交流输入,230V交流输出,所带负荷为单相空调,在电源接入端及引出端用录波仪录波,其测试
13
结果如下:
输入电压谐波含量
次数3571113151719
含量5.5654.77.53.62.61.2
输入电压总的畸变率,13.8,
输出电压谐波含量主要为高次谐波,其畸变率,0.8,从这个测试结果可以看出,交,直,交设备在净化电源的谐波效果是明显的,从国外的运行情况看,运行是可靠的,因此建议国内在设计高速铁路信号电源时或现有线路改造中,对谐波含量较高的供电电源应采用交,直,交供电设备,以保证信号供电可靠程度。
为了进一步提高供电可靠性,还可在交,直,交设备的直流中加装蓄电池。
蓄电池可根据实际情况进行容量配置,加装蓄电池是根据供电运行最恶劣情况考虑。
这是因为,虽然现在大部分主要干线为双电源供电,但双电源基本上在铁路两边建设或在一边建设。
目前在平原地区,在铁路两侧规划了15,20m的绿化带。
这些绿化带的树木大部分为速生品种,生长速度快,而且高大,一旦遇到大风雨容易造成树木倾倒,砸断输电线路。
如1993年7月10日在新乡到七里营间就是因为暴风雨造成贯通、自闭电力线路同时停电,只能改变行车方式,由于各种原因造成了重大旅客列车行车事故,给国家造成了恶劣的政治影响,给人民的生命财产造成了重大的经济和人员的损失。
这次事故的直接原因是司机未按规定的运行方式运行,而间接原因是暴风雨砸坏自闭、贯通电力线路,导致不能正常供电。
笔者在运行实践中曾
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几次遇到两条电力线路同时停电的情况,这些事故的发生都给运输造成了较大的影响。
如果在信号电源380V侧采用交,直,交设备并配装电池结构,上述的事故就可以避免。
3.4电气化区段信号增设第三路电源
在电气化区段信号增设第三路电源,在每个中间站增设27.5kV/0.4kV(0.23kV)变压器,电源从接触网上接引。
电压降低后采用交,直,交的供电方法,就是将单相交流400V或230V的电源经过整流设备变成直流电源,然后再将直流电源经过逆变后变为交流三相四线400V的交流电源供信号用电,这样就保证了每个信号楼都有三个电源供电,增加了信号供电的可靠程度。
4、结束语
信号供电的可靠与否是保证列车安全、正点、提高列车的通过能力的重要因素。
随着列车速度的不断提高及高速铁路的建设,对信号供电的可靠性要求将越来越高。
针对目前信号供电中存在的问题进行探讨,找出问题的产生原因及解决办法是非常有必要的,笔者就自己的工作实际提出了一些看法,不妥之处请指正。
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